二维垂直摆倾斜仪对地倾斜的测量

　　1　引　　言

　　地倾斜测量在地球物理、工程实践和科学实验等方面有着重大的应用价值。它不仅对地球动力学研究和地震前兆观测具有重要意义,而且在某些精密测量实验、工程建筑以及工业生产中都是不可或缺的研究内容。倾斜测量的仪器主要有长基线倾斜仪和短基线倾斜仪两大类。最常见的长基线倾斜仪是水管倾斜仪[1],短基线倾斜仪主要有水平摆倾斜仪[224]、垂直摆倾斜仪[526]、气泡倾斜仪[728]、折叠摆倾斜仪[9210]和其他形式的倾斜仪[11]等。

　　一般的倾斜仪体积较大,需要安装在专门的固体潮观测室中,安装范围相对狭窄。石油勘探会产生大量废弃的钻孔,它们是非常经济的固体潮观测场所,充分利用这些钻孔进行固体潮观测,可获得更为丰富的固体潮观测信息。由于钻孔直径通常只有110mm,因而观测仪器的小型化是非常必要的。人们在这方面已进行过一些有益的尝试,如小型化的垂直摆倾斜仪、抗磁体倾斜仪和气泡倾斜仪等,文中的圆柱对称二维垂直摆倾斜仪也可实现小型化,容器的外径仅100mm。它是一种新型的地学仪器,能同时测量2个方向(例如东西方向和南北方向)的地倾斜信号,真正反映出地球某一点的地倾斜固体潮信息,灵敏度达到了10-9rad/mV。

　　另一方面,在结构上,它具有很好的圆柱对称性,其机械部件和电容极板共一条轴线。这种对称性的设计能大大消减环境温度对地倾斜测量的影响。

　　2　二维垂直摆倾斜仪的原理与设计

　　二维垂直摆由圆柱状垂直摆摆体、二维连接簧片和圆筒形陶瓷极板构成,陶瓷极板位于垂直摆摆锤外围,如图1所示。圆筒形陶瓷极板被等分成4个部分,每个部分与摆锤构成电容,共2对电容,电容极板安装在与圆筒形支撑体同轴的位置,整个装置呈圆柱对称。由于簧片很薄,单摆的弹性系数较小,保证了垂直摆对地壳倾斜有足够的响应[12]。圆柱形摆锤通过二维弹性簧片悬挂在圆筒形支撑体里,地倾斜信号会引起支撑体发生倾斜时,垂直摆锤相对于支撑体运动,这种运动在2个相互垂直的检测方向的分量可用电容式微位移传感系统检测出来。在实验中采用了2对电容极板来检测摆锤2个方向的运动。电容式微位移传感电路的输出电压反映了摆锤的偏移大小和方向,也就反映了这一方向地倾斜变化的信息,因此对该电压进行检测就可记录出倾斜潮汐。另一方向的倾斜由另一对电容进行检测。

　　3　垂直摆倾斜仪的热噪声分析

　　对谐振子而言,在一定的温度下总存在分子热运动所形成的耗散涨落,它不能从振子本身的运动中消除。这就为二维垂直摆倾斜仪的测量精度设置了基本限制[13]。垂直摆的热噪声功率谱密度函数如: